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工业高温用石墨增强板/垫片
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法兰密封垫片

法兰密封垫片概述

法兰、法兰密封垫片及紧固螺栓三者构成一个密封系统。一对法兰的接触面上总是存在粗糙度的, 不用垫片而仅靠螺栓夹紧实际是做不到密封不漏的。所以作为密封件的法兰垫片对保证密封起到重要作用。

什么是法兰

法兰
法兰又叫法兰凸缘盘。法兰是管子与管子之间相互连接的零件,用于管端之间的连接;也有用在设备进出口上的法兰,用于两个设备之间的连接,如减速机法兰。法兰连接或法兰接头,是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接。管道法兰系指管道装置中配管用的法兰,用在设备上系指设备的进出口法兰。法兰上有孔眼,螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰分螺纹连接(丝扣连接)法兰、焊接法兰和卡夹法兰。法兰都是成对使用的,低压管道可以使用丝接法兰,四公斤以上压力的使用焊接法兰。两片法兰盘之间加上密封垫,然后用螺栓紧固。不同压力的法兰厚度不同,它们使用的螺栓也不同。水泵和阀门,在和管道连接时,这些器材设备的局部,也制成相对应的法兰形状,也称为法兰连接。凡是在两个平面周边使用螺栓连接同时封闭的连接零件,一般都称为“法兰”,如通风管道的连接,这一类零件可以称为“法兰类零件”。但是这种连接只是一个设备的局部,如法兰和水泵的连接,就不好把水泵叫“法兰类零件”。比较小型的如阀门等,可以叫“法兰类零件”。

法兰密封面的型式和属性

法兰密封面的型式
法兰密封面


法兰表面说到法兰密封面属性,不得不说法兰表面的光洁度,可以用“粗糙度、纹路、波形度”等概念来描述。

  1、粗糙度
  粗糙度是从法兰表面中心开始计算突起和凹陷的平均值,用万分之一英寸(或米)来表示。对于锯齿状的法兰表面,典型的粗糙度为125-500微英寸,而对于非锯齿状的法兰表面,粗糙度为125-250微英寸。过于粗糙的法兰,垫片往往不能密封,只能尽量选用更软的垫片,而另一方面,很高的光洁度的法兰面,比如磨光过的表面,也是很难密封的,必须避免,因为密封表面需要充分的“咬痕”以提供足够的摩擦力,防止垫片被吹出或被挤出,或者过度的蠕变。
  2、纹路
  纹路是法兰表面粗糙式样的主导方向,比如:多方向的、唱片螺旋状的、锯齿状等
  表面光洁度的纹路应尽可能和垫片的中心线相一致,比如圆形法兰,表面纹路应该加工为同心圆或者唱片螺旋线型,这样就可以避免有穿过法兰表面的线,如果有一条穿过密封表面的直线研磨线,就会成为一个直接泄露的路径。
  3、波形度
  波形度就是相对于整个平面度的偏差,正常条件下,并不需要考虑波形度的问题,但是有两种情况,需要特别关注,因为过度的波形度也是非常难以处理的问题。
  第一种情况是搪玻璃的设备,在这种设备中融化玻璃的自然流动会形成很大的波形度,而且在较高的螺栓扭矩下,搪玻璃的法兰也容易变形。解决的办法是使用更厚的,而且可以高度压缩的垫片。
  第二种情况涉及到翘曲的法兰,如果这种翘曲是由于热变形或者内应力造成的,那么对法兰进行再次加工处理就可以了,如果是由于过度螺栓负载或者法兰厚度不足而造成的翘曲,我们一般称为“弓形变形”,解决办法是重新设计具有更大刚度的法兰,有时可以加入加强筋来增强结构,而不用替换法兰,另一个办法是增加更多的螺栓,也可以把少而大的螺栓方案改为多而小的方案,由此增大了螺栓的弹性,使接头更好的结合。

法兰垫片的密封机理

法兰垫片的密封机理可以分为2种情况

  • 1. 初始密封
    即在装配时就可完成。紧固螺栓压紧垫片, 产生初始密封的基本条件是应使密封面间产生足够的压力, 即垫片预紧应力使垫片材料受压缩后发生弹性压缩变形或弹塑性压缩变形, 能够填塞法兰密封面的粗糙不平, 堵塞界面泄漏通道以达初始密封要求, 垫片的预紧应力取决于垫片材料压紧性能, 所有的密封压紧力均来自螺栓的初始紧固力, 同时法兰应具有足够的强度和防偏转或翘曲变形的足够刚度。

  • 2. 工作密封
    预紧后的法兰垫片螺栓三构件系统, 当受到工作介质压力作用之后, 一对法兰的2个密封面将被迫发生相对分离, 此时垫片应有足够的回弹变形以补偿这一分离。不仅如此, 垫片还要求有这样的能力, 即保持密封界面上仍有足够以维持密封的残留垫片应力(压应力), 以保证将流体介质密封住。
  • 法兰密封垫片泄漏形式案例解析

    法兰密封泄漏

    燃气输送过程中法兰接口泄漏是指燃气从管道系统内部通过垫片两侧的密封面从内部流向外部。造成泄漏的根本原因是法兰接触面上存在间隙,而管道内外介质的压力差、浓度差则是泄漏的推动力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影响,密封面上存在间隙在所难免,这就会造成密封面不完全吻合,从而发生泄漏。要减少泄漏,就必须使接触面最大限度地嵌合,减少泄漏通道的截面积,增加泄漏阻力并使之大于泄漏推动力。对密封面施加压紧荷载,以产生压紧应力,可提高密封面的接触程度。当压紧应力增加到足以引起垫片产生明显的塑性变形时,就可以填补密封面的间隙,堵塞泄漏通道。使用垫片的目的就是利用垫片材料在压紧荷载的作用下较易产生塑性变形的特性,使之填平法兰密封面的微小凹凸,从而实现密封。
      压紧应力能否实现初始密封,与所使用的垫片材料密切相关。不同的垫片材料在相同的压缩量下,压紧应力不同,即在同样的密封要求下所能密封的介质压力不同,或者说在相同的介质压力下,得到的密封性能不一样。
      当管道投入运行后,垫片一方面必须维持这个应力,以保持密封状态;另一方面,由于受到管内燃气压力的作用,密封面被迫发生分离,此时要求垫片能释放出足够的弹性变形,以补偿这一分离量,并且留下足以保持密封所需的应力。此外,这一弹性应变能还要补偿法兰长期运行过程中可能发生的连接结构松弛。
      理论上垫片预紧应力越大,垫片中储存的弹性应变能也越大,补偿法兰面分离和连接结构松弛的能力也越强。但实际使用时垫片预紧应力的合理取值与其材质和结构、密封要求、环境因素、使用寿命以及经济性等有关。
      任何制造或加工方法都不可能形成绝对光滑的理想表面,也不可能实现密封面间的完全嵌合以及密封件本身空隙的完全阻塞,在相互接触的密封面间和密封件的内部总是存在着微小的间隙或通道。因此,对于密封垫片,泄漏不可避免。当介质以一定的压力通过法兰接口时,往往会在密封处出现泄漏。泄漏形式有两种:①由于垫片压紧应力不足、法兰密封面粗糙等原因造成的垫片与法兰密封面之间贴合不紧的界面泄漏;②由于密封材料组织疏松、易被气体浸透而造成的通过密封材料内部孔隙的渗透泄漏。

    法兰用密封垫片的几个常见种类

    法兰密封种类

      1.石棉橡胶板垫片(HG 20627-1997)
            材料:耐油石棉橡胶
            使用范围:①压力:2MPA   ②温度:300℃
            特点及应用:寿命长,具有耐油性能,用于不常拆卸、更换周期长的部位。不宜用于苯及环氧乙烷介质。为防止石棉纤维混入油品,不宜用以航空汽油或航空煤油。

      2.聚四氟乙烯包覆垫片(HG 20628-1997)
            材料:聚四氟乙烯+石棉橡胶
            使用范围:(1)压力:5MPA   (2)温度:150℃
            特点及应用:耐蚀性优异,回弹性较好,广泛用于耐蚀性介质的密封。

      3.缠绕式垫片(HG 20631-1997)
            材料:
           (1)不锈钢带+特制石棉带
            使用范围:①压力:25MPA   ②温度:500℃
           (2)不锈钢带+柔性石墨带
            使用范围:①压力:25MPA   ②温度:650℃(氧化性介质为450℃)
           (3)不锈钢带+聚四氟乙烯带
            使用范围:①压力:25MPA   ②温度:200℃
            特点及应用:压缩性、回弹性好,价格便宜、制造简单。以膨胀石棉带为填料的垫片,密封性能好;适用于有松弛、温度和压力波动,以及有冲动和振动的条件。用于航空汽油或航空煤油时需用柔性石墨为填料。

      4.金属包覆垫片(HG 20630-1997)
            材料:包皮材料:铅、铜、铝、软钢、不锈钢、蒙乃尔合金
            垫片材料:石棉、陶瓷纤维、玻璃纤维、聚四氟乙烯、柔性石墨
            使用范围:①压力:15MPA   ②温度:500℃
            特点及应用:耐蚀性取决于包皮材料;耐温性取决于包皮和垫片材料。

      5.金属平垫片
            材料:紫铜、铝、铅、软钢、不锈钢、合金钢。
            使用范围:①压力:20MPA   ②温度:600℃
            特点及应用:适用介质:蒸汽、氢气、压缩空气、天然气、油品、溶剂、重油、丙烯、烧碱、酸、碱、液化气、水。

    法兰密封垫片的使用注意事项和泄漏处理方法

    1:嵌入式法兰两法兰面不要贴紧
    装有密封垫片的法兰,如果在垫片本身完全达到必要的表面压力之前法兰面就接触了,则不能更紧了。

      
    2:不要使高压法兰的密封垫片飞出
    高压的场合。为了限制压力密封面积,在内周面使用宽度窄的密封垫片。这种场合,如果是像图的左边那样,紧固后在局部有万一不完全的地方,则有密封垫片断开飞出来的危险,最好是用将密封垫片装入槽中的形式,即便万一松弛也绝对不会飞出。


    3:不要使法兰垫片槽附近变弱
    如果凸法兰和凹法兰厚度相同,凹法兰槽底部附近非常薄,因而变弱,为了不使其变弱,凹法兰要加厚。


    4:靠螺纹旋入紧固的垫片容易断
    如果旋入螺纹紧固垫片,则容易断直径大,宽度窄,薄的垫片,在紧固操作中特别容易断要避免采用垫片因对抗摩擦而滑动的紧固方式,最好是采用只靠压紧的紧固方式。


      法兰泄漏密封处理方法
      一、泄漏部位及状况DN150阀体两侧连接法兰螺栓泄漏,由于法兰连接间隙极小,不可能通过间隙注入密封剂消除泄漏。泄漏介质为蒸汽,泄漏系统温度400~500℃,系统压力4MPA。
     
      二、密封施工方法根据泄漏部位现场勘测,为实现有限封堵,采用固定夹具法包容泄漏点形成密封腔,注入密封剂,从而消除泄漏。
     
      1、夹具设计
      (1)夹具结构形式确定
     
      ①包容泄漏点,建立阀体法兰与管道法兰连接短节法兰间的密封腔。为防止因憋压使阀体与法兰间隙潜在泄漏处出现再泄漏,在夹具与阀体法兰外缘吻合处设环形腔注胶。
     
      ②异径法兰注剂过程中,夹具易向小径法兰侧发生位移,故采用齿形接触卡紧的限位措施。
     
      2、密封剂选择及用量估算
      (1)密封剂选择根据泄漏系统温度和泄漏部位特点,采用TXY-18#A型密封剂。该密封剂耐温、耐介质和注射工艺性能优异,易于建立均匀致密的密封结构,且密封可保持长期稳定。
     
      (2)用量估算单侧泄漏点需用密封剂4.5KG。
     
      3、施工操作
      (1)夹具安装,由于齿形接触,齿尖内径尺寸较小,安装时需要周圈敲击夹具外壁发生齿端变形,卡紧限位。
      (2)注剂操作完成夹具和阀体及法兰环形腔注入密封腔后,再进行中间腔注剂,注剂过程要均衡施压,并注意补注压紧,防止应力松弛。
      (3)密封剂固化后,经过效果观察,进行局部补注压紧,防止应力松弛,再封闭注剂孔。

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